實(shí)驗(yàn)原理1．實(shí)驗(yàn)方法(控制變量法)(1)保持研究對(duì)象即小車的質(zhì)量不變，通過改變懸掛槽碼的個(gè)數(shù)改變小車所受的拉力，測出小車的對(duì)應(yīng)加速度，驗(yàn)證加速度是否與作用力成正比。(2)保持懸掛槽碼的個(gè)數(shù)不變，即保持作用力不變，改變研究對(duì)象即小車的質(zhì)量，測出小車的對(duì)應(yīng)加速度，驗(yàn)證加速度是否與質(zhì)量成反比。
(2)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理——圖像法、“化曲為直”法。①研究加速度a和力F的關(guān)系。以加速度a為縱坐標(biāo)，力F為橫坐標(biāo)，根據(jù)測量數(shù)據(jù)描點(diǎn)，然后作出圖像，如圖甲所示。若圖像是一條通過原點(diǎn)傾斜的直線，則說明a與F成正比。
實(shí)驗(yàn)器材小車、砝碼、槽碼、細(xì)繩、一端附有定滑輪的長木板、墊木、打點(diǎn)計(jì)時(shí)器、交流電源、紙帶、刻度尺、天平。實(shí)驗(yàn)步驟與數(shù)據(jù)處理(1)用天平測出小車的質(zhì)量M，并把數(shù)值記錄下來。(2)按如圖所示的裝置把實(shí)驗(yàn)器材安裝好(小車上先不系繩)。
(3)平衡摩擦力：在長木板不帶定滑輪的一端下面墊一木塊，反復(fù)移動(dòng)木塊位置，直到使小車在不受牽引時(shí)能拖動(dòng)紙帶沿木板保持勻速直線運(yùn)動(dòng)為止(紙帶上相鄰點(diǎn)間距相等)。(4)在細(xì)繩末端懸掛一個(gè)槽碼，用細(xì)繩繞過定滑輪系在小車上，在小車上加放適量的砝碼，用天平測出槽碼的質(zhì)量m，記錄下來。接通電源，放開小車，待打點(diǎn)計(jì)時(shí)器在紙帶上打好點(diǎn)后取下紙帶，并設(shè)計(jì)表格如下。
誤差分析1．系統(tǒng)誤差本實(shí)驗(yàn)用槽碼的重力mg代替小車的拉力，而實(shí)際上小車所受的拉力要小于槽碼的重力。槽碼的質(zhì)量越接近于小車的質(zhì)量，誤差越大；反之，槽碼的質(zhì)量越小于小車的質(zhì)量，由此引起的誤差就越小。因此，滿足槽碼的質(zhì)量遠(yuǎn)小于小車的質(zhì)量的目的就是為了減小因?qū)嶒?yàn)原理不完善而引起的誤差。2．偶然誤差摩擦力平衡不準(zhǔn)確、質(zhì)量測量不準(zhǔn)確、計(jì)數(shù)點(diǎn)間距測量不準(zhǔn)確、紙帶和細(xì)繩不嚴(yán)格與木板平行都會(huì)引起誤差。
注意事項(xiàng)(1)打點(diǎn)前小車應(yīng)靠近打點(diǎn)計(jì)時(shí)器，且應(yīng)先接通電源后釋放小車。(2)在平衡摩擦力時(shí)，不需要懸掛槽碼，但小車應(yīng)連接紙帶且接通電源。用手輕輕地給小車一個(gè)初速度，如果在紙帶上打出的點(diǎn)跡間隔均勻，表明小車受到的阻力跟它受到的重力沿斜面向下的分力平衡。(3)改變懸掛槽碼的個(gè)數(shù)的過程中，要始終保證槽碼的總質(zhì)量遠(yuǎn)小于小車的質(zhì)量。(4)作圖時(shí)應(yīng)使所作的直線通過盡可能多的點(diǎn)，不在直線上的點(diǎn)也要盡可能地對(duì)稱分布在直線的兩側(cè)，但若遇到個(gè)別偏離較遠(yuǎn)的點(diǎn)可舍去。
創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)觀摩用氣墊導(dǎo)軌探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系
(一)實(shí)驗(yàn)原理與操作典例1　在研究作用力F一定時(shí)，小車的加速度a與小車(含砝碼)質(zhì)量M的關(guān)系的實(shí)驗(yàn)中，某同學(xué)安裝的實(shí)驗(yàn)裝置和設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)步驟如下：A．用天平稱出小車和槽碼的質(zhì)量B．按圖安裝好實(shí)驗(yàn)器材C．把輕繩系在小車上并繞過定滑輪懸掛槽碼D．將電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器接在6 V電壓的蓄電池上，接通電源，釋放小車，打點(diǎn)計(jì)時(shí)器在紙帶上打下一系列點(diǎn)，并在紙帶上標(biāo)明小車質(zhì)量
E．保持槽碼的質(zhì)量不變，增加小車上的砝碼個(gè)數(shù)，并記錄每次增加后的M值，重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)F．分析每條紙帶，測量并計(jì)算出加速度的值G．作a-M關(guān)系圖像，并由圖像確定a與M的關(guān)系(1)請(qǐng)改正實(shí)驗(yàn)裝置圖中的錯(cuò)誤。①電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器位置___________________________________________________________________________________________________________________；②小車位置____________________________________________________________________________________________________________________________；③滑輪位置______________________________________________________________________________________________________________________________。
(2)該同學(xué)漏掉的重要實(shí)驗(yàn)步驟是_______，該步驟應(yīng)排在步驟________之后。(3)在上述步驟中，有錯(cuò)誤的是步驟______，應(yīng)把____________改為______。(4)在上述步驟中，處理不恰當(dāng)?shù)氖遣襟E______，應(yīng)把_______改為________。[解析]　(1)①電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器應(yīng)固定在長木板無滑輪的一端，且應(yīng)靠近右端；②釋放小車時(shí)，小車應(yīng)靠近打點(diǎn)計(jì)時(shí)器；③連接小車的細(xì)繩應(yīng)平行于木板，故應(yīng)調(diào)節(jié)滑輪位置使細(xì)繩平行于木板。(2)實(shí)驗(yàn)時(shí)應(yīng)平衡摩擦力，使小車所受重力沿木板方向的分力與小車所受摩擦力平衡，故應(yīng)墊高長木板右端以平衡摩擦力。實(shí)驗(yàn)中把槽碼的重力看成與小車所受拉力大小相等，沒有考慮摩擦力，故必須平衡摩擦力且應(yīng)排在步驟B之后。
[微點(diǎn)撥]實(shí)驗(yàn)操作的注意事項(xiàng)(1)兩個(gè)重要條件：①平衡摩擦力；②使m?M。(2)連接裝置時(shí)：①打點(diǎn)計(jì)時(shí)器要固定在長木板遠(yuǎn)離滑輪的一端。②調(diào)節(jié)定滑輪，使拉小車的細(xì)繩與長木板平行。③實(shí)驗(yàn)時(shí)要將小車靠近打點(diǎn)計(jì)時(shí)器，先接通電源后釋放小車?！　　　?
[對(duì)點(diǎn)訓(xùn)練]1．用如圖所示裝置做“探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”的實(shí)驗(yàn)，在平衡摩擦力的過程中，下列操作正確的是 (　　)A．移動(dòng)木塊，使掛砂桶的小車在斜面上勻速運(yùn)動(dòng)B．移動(dòng)木塊，使不掛砂桶的小車在斜面上勻速運(yùn)動(dòng)C．移動(dòng)木塊，使掛砂桶的小車在斜面上靜止D．移動(dòng)木塊，使不掛砂桶的小車在斜面上靜止答案：B
(二)數(shù)據(jù)處理和誤差分析典例2　某同學(xué)設(shè)計(jì)了一個(gè)探究加速度a與物體所受合力F及質(zhì)量m的關(guān)系的實(shí)驗(yàn)，圖甲為實(shí)驗(yàn)裝置簡圖。(1)圖乙為某次實(shí)驗(yàn)得到的紙帶，根據(jù)紙帶可求出小車的加速度大小為________ m/s2(保留兩位有效數(shù)字，交流電的頻率為50 Hz)。
(3)保持小車質(zhì)量不變，改變槽碼質(zhì)量，該同學(xué)根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作出了加速度a隨合力F變化的圖線，如圖丁所示。該圖線不通過原點(diǎn)，請(qǐng)你分析其主要原因是______________________________________________________________________________________________________________________________________。
[解題指導(dǎo)]　解答本題時(shí)可按以下思路分析：
(3)由題圖可分析，當(dāng)加速度a為零時(shí)，拉力F并不為零，說明實(shí)驗(yàn)前沒有平衡摩擦力或者平衡摩擦力不足。
[對(duì)點(diǎn)訓(xùn)練]2．(2021·北京等級(jí)考)物理實(shí)驗(yàn)一般都涉及實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)儀器、實(shí)驗(yàn)方法、實(shí)驗(yàn)操作、數(shù)據(jù)分析等。例如：(1)實(shí)驗(yàn)儀器。用游標(biāo)卡尺測某金屬管的內(nèi)徑，示數(shù)如圖甲所示。則該金屬管的內(nèi)徑為________mm。(2)數(shù)據(jù)分析。打點(diǎn)計(jì)時(shí)器在隨物體做勻變速直線運(yùn)動(dòng)的紙帶上打點(diǎn)，其中一部分如圖乙所示，B、C、D為紙帶上標(biāo)出的連續(xù)3個(gè)計(jì)數(shù)點(diǎn)，相鄰計(jì)數(shù)點(diǎn)之間還有4個(gè)計(jì)時(shí)點(diǎn)沒有標(biāo)出。打點(diǎn)計(jì)時(shí)器接在頻率為50 Hz的交流電源上。則打C點(diǎn)時(shí)，紙帶運(yùn)動(dòng)的速度vC＝________m/s(結(jié)果保留小數(shù)點(diǎn)后兩位)。
(3)實(shí)驗(yàn)原理。圖丙為“探究加速度與力的關(guān)系”的實(shí)驗(yàn)裝置示意圖。認(rèn)為桶和砂所受的重力等于使小車做勻加速直線運(yùn)動(dòng)的合力。實(shí)驗(yàn)中平衡了摩擦力后，要求桶和砂的總質(zhì)量m比小車質(zhì)量M小得多。請(qǐng)分析說明這個(gè)要求的理由。
答案：(1)31.4　(2)0.44　(3)見解析
創(chuàng)新點(diǎn)(一)　實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)器材的創(chuàng)新 1．在“探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”實(shí)驗(yàn)中：(1)若采用如圖甲、圖乙所示的實(shí)驗(yàn)裝置與方案，通過黑板擦控制兩小車的起動(dòng)與停止，將測量兩車的加速度轉(zhuǎn)換為測量兩車的位移。實(shí)驗(yàn)中不需要測量的物理量是______(填字母代號(hào))。
A．小車運(yùn)動(dòng)的時(shí)間B．小車通過的位移C．盤和盤中重物的總質(zhì)量D．車和車上重物的總質(zhì)量(2)在用DIS“研究小車加速度與力的關(guān)系”實(shí)驗(yàn)時(shí)，所用實(shí)驗(yàn)裝置如圖丙所示，重物通過細(xì)線跨過滑輪拉相同質(zhì)量小車，用位移傳感器測定位移，用力傳感器測得拉力F，改變重物的重力重復(fù)實(shí)驗(yàn)多次，記錄多組數(shù)據(jù)，并畫出a-F圖像。
①該實(shí)驗(yàn)中，________(選填“需要”或“不需要”)滿足“小車的質(zhì)量遠(yuǎn)大于重物的質(zhì)量”的條件。②符合該實(shí)驗(yàn)方案得出的實(shí)驗(yàn)圖像應(yīng)是圖丁中的________(填字母代號(hào))。
答案：(1)A　(2)①不需要?、贐
創(chuàng)新點(diǎn)(二)　實(shí)驗(yàn)器材、數(shù)據(jù)處理的創(chuàng)新2．某同學(xué)利用如圖所示裝置做“探究加速度與物體所受合力的關(guān)系”的實(shí)驗(yàn)。在氣墊導(dǎo)軌上安裝了兩個(gè)光電門1、2，滑塊上固定一遮光條，滑塊通過繞過兩個(gè)滑輪的細(xì)繩與彈簧秤相連，實(shí)驗(yàn)時(shí)改變鉤碼的質(zhì)量，讀出彈簧秤的不同示數(shù)F，不計(jì)細(xì)繩與滑輪之間的摩擦力。
(1)根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理圖，本實(shí)驗(yàn)__________(選填“需要”或“不需要”)將帶滑輪的氣墊導(dǎo)軌右端墊高，以平衡摩擦力；實(shí)驗(yàn)中__________(選填“一定要”或“不必要”)保證鉤碼的質(zhì)量遠(yuǎn)小于滑塊和遮光條的總質(zhì)量；實(shí)驗(yàn)中__________(選填“一定要”或“不必要”)用天平測出所掛鉤碼的質(zhì)量；滑塊(含遮光條)的加速度__________(選填“大于”“等于”或“小于”)鉤碼的加速度。
(2)某同學(xué)實(shí)驗(yàn)時(shí)，未掛細(xì)繩和鉤碼，接通氣源，推一下滑塊使其從軌道右端向左運(yùn)動(dòng)，發(fā)現(xiàn)遮光條通過光電門2的時(shí)間大于通過光電門1的時(shí)間，該同學(xué)疏忽大意，未采取措施調(diào)節(jié)導(dǎo)軌，繼續(xù)進(jìn)行其他實(shí)驗(yàn)步驟(其他實(shí)驗(yàn)步驟沒有失誤)，則該同學(xué)作出的滑塊(含遮光條)加速度a與彈簧秤拉力F的圖像可能是__________(填圖像下方的字母)。(3)若該同學(xué)作出的a-F圖像中圖線的斜率為k，則滑塊(含遮光條)的質(zhì)量為_____。

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2 實(shí)驗(yàn)：探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系

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